量子物理学：プログラム可能な量子渦コライダーにおける音響放射と対消滅

量子流体では、循環の量子化によって、古典粘性流体に見られる渦旋回流の拡散が禁制となる。しかし、加速する量子渦は、電荷が光子を放出して減速するのと同様に、そのエネルギーを音響放射の形で失う可能性がある。渦のエネルギーの散逸は、中性子星、超流動ヘリウム、原子凝縮体といったさまざまな系に深く関連する、量子乱流の減衰などの量子流体力学の中心的な問題の根底にある。不可逆的な渦ダイナミクスの背後にある基本的機構を深く理解することは数十年来の目標であるが、決定的な実験証拠が少ないため困難である。今回我々は、粒子間相互作用を調整できる平面状の均一な原子フェルミ超流動体においてプログラム可能な渦コライダーを実現することによって、この難題に取り組んだ。我々は、極低温フェルミガスの実現しやすい時間スケールと長さスケールを利用して、渦配置をオンデマンドで作り出し、その発展を観察した。渦–反渦対の内部や対間の衝突を操作することによって、音響放射に起因する渦エネルギーの緩和と、常流動体との相互作用（つまり相互摩擦）に起因する渦エネルギーの緩和の分離が可能になった。我々は、渦双極子の対消滅によって音波パルスが放射される様子を直接可視化した。さらに、今回のさまざまな超流動領域にまたがる少数渦の実験によって、普遍性のない散逸ダイナミクスが明らかになった。これは、渦のコアの内部に局在するフェルミオン準粒子が散逸に大きく寄与していることを示唆しており、従って量子乱流減衰の新たな経路を渦ごとに調べる道が開かれる。

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